太阳能利用技术(第二篇).ppt

安徽建筑工业学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 太阳电池工作原理,授课教师：曹佰来,一,.,太阳电池分类,按照基体材料分类：,晶硅太阳电池,包括：单晶硅和多晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,薄膜太阳电池,化合物太阳电池,包括：砷化镓电池；硫化镉电池；,碲化镉电池；硒铟铜电池等,有机半导体太阳电池,太阳电池种类,单晶硅太阳电池,多晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,按照结构分类：,同质结太阳电池,异质结太阳电池,肖特基结太阳电池,复合结太阳电池,液结太阳电池等,按照用途分类：,空间太阳电池,在人造卫星、宇宙飞船等航天器上应用的太阳电池。由于使用环境特殊，要求太阳电池具有效率高、重量轻、耐辐照等性能。,地面太阳电池,在地面上应用的太阳电池。,光敏传感器,光照射时，太阳电池两极之间就能产生电压。连成回路，就有电流流过，光照强度不同，电流的大小也不一样，因此可以作为传感器使用。,航天器上的光伏系统,火星车,按照工作方式分类：,平板太阳电池,聚光太阳电池,平板太阳电池,聚光太阳电池,聚光太阳电池,二,.,硅太阳电池的工作原理,硅原子的外层 电子壳层中有,4,个电子。,受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，,会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。,在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。,硅原子示意图,在硅晶体中每个原子有,4,个相邻原子，并和每一个相邻原子共有,2,个价电子，形成稳定的,8,电子壳层。,从硅的原子中分离出一个电子需要,1.12eV,的能量，该能量称为硅的禁带宽度。被分离出来的电子是自由的传导电子，它能自由移动并传送电流。,硅原子的共价键结构,如果在纯净的硅晶体中掺入少量的,5,价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有,5,个价电子，所以,1,个磷原子同相邻的,4,个硅原子结成共价键时，还多余,1,个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子。,所以一个掺入,5,价杂质的,4,价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为,n,型半导体。,在,n,型半导体中，除了由于掺入杂质而产生大量的自由电子以外，还有由于热激发而产生少量的电子,-,空穴对。然而空穴的数目相对于电子的数目是极少的。,所以在,n,型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子,;,而电子数目很多,称为多数载流子。,n,型半导体,同样如果在纯净的硅晶体中掺入,3,价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些,3,价杂质原子的最外层只有,3,个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少,1,个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，因此掺入,3,价杂质的,4,价半导体，也称为,p,型半导体。,对于,p,型半导体，空穴是多数载流子，而电子为少数载流子。,P,型半导体,若将,p,型半导体和,n,型半导体两者紧 密结合，联成一体时，由导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为,p-n,结。在,p-n,结两边，由于在,p,型区内，空穴很多，电子很少；而在,n,型区内，则电子很多，空穴很少。由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。,在靠近交界面附近的,p,区中，空穴要由浓度大的,p,区向浓度小的,n,区扩散，并与那里的电子复合，从而使那里出现一批带正电荷的搀入杂质的离子。,同时在,p,型区内，由于跑掉了一批空穴而呈现带负电荷的搀入杂质的离子。,同样在靠近交界面附近的,n,区中，电子要由浓度大的,n,区向浓度小的,p,区扩散，而电子则由浓度大的,n,区要向浓度小的,p,区扩散，并与那里的空穴复合，从而使那里出现一批带负电荷的搀入杂质的离子。,同时在,n,型区内，由于跑掉了一批电子而呈现带正电荷的搀入杂质的离子。,于是，扩散的结果是在交界面的两边形成一边带正电荷而另一边带负电荷的一层很薄的区域，称为,空间电荷区,。这就是,p-n,结。在,p-n,结内，由于两边分别积聚了负电荷和正电荷，会产生一个由正电荷指向负电荷的电场，因此在,p-n,结内，存在一个由,n,区指向,p,区的电场，称为,内建电场,（或称,势垒电场,),。,太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在,p,区、空间电荷区和,n,区都会产生光生电子,-,空穴对，也称,光生载流子,。这样形成的电子,-,空穴对由于热运动，向各个方向迁移。,光生电子,-,空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进,n,区，光生空穴被推进,p,区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为,0,。,在,n,区，光生电子,-,空穴产生后，光生空穴便向,p-n,结边界扩散，一旦到达,p-n,结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入,p,区，而光生电子（多数载流子）则被留在,n,区。,p,区中的光生电子也会向,p-n,结边界扩散，并在到达,p-n,结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入,n,区，而光生空穴（多数载流子）则被留在,p,区。,因此在,p-n,结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使,p,型层带正电，,n,型层带负电，因此产生了光生电动势。,这就是,“,光生伏打效应,”,（简称,光伏,）。,如果使太阳电池开路，即负载电阻，,R,L,=,，则被,p-n,结分开的全部过剩载流子就会积累在,p-n,结附近，于是产生了等于开路电压,V,OC,的最大光生电动势。,如果把太阳电池短路，即,R,L,=0,，则所有可以到达,p-n,结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短路电流,I,SC,。,如果把太阳电池接上负载,R,L,，则被结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低,p-n,结势垒，即用于建立工作电压,V,m,，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流,I,m,。,太阳电池的极性,太阳电池一般制成,p,+,/,n,型结构或,n,+,/p,型结构，其中第一个符号，即,p,+,和,n,+,表示太阳电池正面光照半导体材料的导电类型；第二个符号，即,n,和,p,表示太阳电池背面衬底半导体材料的导电类型。,下图为在,p,型半导体材料上扩散磷元素，形成,n,+,/p,型结构的太阳电池。上表面为负极；下表面为正极。,三,.,太阳电池的结构,四,.,太阳电池基本参数,1.,标准测试条件,光源辐照度：,1000W/m,2,；,测试温度：,25,2,0,C,；,AM1.5,地面太阳光谱辐照度分布,。,太阳光谱分布,2.,太阳电池等效电路,(1),理想太阳电池等效电路：,相当于一个电流为,I,ph,的恒流电源与一只正向二极管并联。,流过二极管的正向电流称为暗电流,I,D,.,流过负载的电流为,I,负载两端的电压为,V,I,ph,I,D,V,R,I,理想的太阳电池等效电路,Rs,I,ph,I,D,R,sh,I,sh,V,R,I,实际的太阳电池等效电路,暗电流,I,D,是注入电流和复合电流之和，可以简化为单指数形式：,I,D,=I,oo,exp(qV,j,/A,0,kT)-1,其中,：,I,oo,为太阳电池在无光照时的饱和电 流；,A,0,为结构因子，它反映了,p-n,结的 结构完整性对性能的影响；,K,是玻尔兹曼恒量,(2),实际太阳电池等效电路：,由于漏电流等产生的旁路电阻,R,sh,由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻,R,s,在,R,sh,两端的电压为：,V,j,=(V+IR,S,),因此流过旁路电阻,R,sh,的电流为：,I,Sh,=(V+IR,S,)/,R,sh,流过负载的电流：,I=,I,ph,I,D,I,Sh,因此得出,:,这就是光照情况下太阳电池的电流与电压的关系。画成图形，即为,(,I-V),特性曲线。,在理想情况下：,R,sh,，,R,s,0,由此得到：,I=,I,ph,I,D,=,I,ph,I,oo,exp(qV/A,0,kT)-1,在负载短路时，即,V,j,=0(,忽略串联电阻,),，便得到短路电流，其值恰好与光电流相等,I,sc,=,I,ph,因此得出：,I=,I,ph,I,D,=,I,sc,I,oo,exp(qV/A,0,kT)-1,在负载,R,时,输出电流,0,便得到,开路电压,V,oc,其值由下式确定：,3.,伏安,(I-V),特性曲线,受光照的太阳电池，在一定的温度和辐照度以及不同的外电路负载下，流入负载的电流,I,和电池端电压,V,的关系曲线。,下图为某个太阳电池组件的,(I-V),特性曲线示意图。,不同辐照度下电池的,I-V,特性曲线,4.,开路电压,在一定的温度和辐照度条件下，光伏发电器在空载,(,开路,),情况下的端电压，通常用,V,oc,来表示。,太阳电池的开路电压与电池面积大小无关，通常单晶硅太阳电池的开路电压约为,450-600,mV,，最高可达,690,mV,。,太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。,5.,短路电流,在一定的温度和辐照条件下，光伏发电器在端电压为零时的输出电流，通常用,I,sc,来表示。,I,sc,与太阳电池的面积大小有关，面积越大，,I,sc,越大。一般,1cm,2,的太阳电池,I,sc,值约为,16-30mA,。,I,sc,与入射光的辐照度成正比,。,6.,最大功率点,在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。,7.,最佳工作电压,太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。通常用,V,m,表示,8.,最佳工作电流,太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。通常用,I,m,表示,9.,转换效率,受光照太阳电池的最大功率与入射到该太阳电池上的全部辐射功率的百分比。,=,V,m,I,m,/A,t,P,in,其中,V,m,和,I,m,分别为最大输出功率点的电压和电流，,A,t,为太阳电池的总面积，,P,in,为单位面积太阳入射光的功率。,电池种类,转换效率,(%),研制单位,备注,单晶硅电池,24.70.5,澳大利亚新南威尔士大学,4 cm,2,面积,GaAs,多结电池,34.71.7,Spectro,lab,333,倍聚光,多晶硅电池,20.30.5,德国弗朗霍夫研究所,1.002 cm,2,面积,InGaP/GaAs,30.81.0,日本能源公司,4 cm,2,面积,非晶硅电池,12.80.7,美国,USSC,公司,0.27 cm,2,面积,CIGS,电池,19.50.6,美国可再生能源实验室,0.41 cm,2,面积,CdTe,电池,16.50.5,美国可再生能源实验室,1.032 cm,2,面积,多晶硅薄膜电池,16.60.4,德国斯图加特大学,4.017 cm,2,面积,纳米硅电池,10.10.2,日本钟渊公司,2,微米膜,(,玻璃衬底,),氧化钛有机纳米电池,11.00.5,EPFL,0.25 cm,2,面积,GaInP/GaAs/Ge,37.31.9,Spectro,lab,175,倍聚光,背接触聚光硅电池,26.80.8,美国,SunPower,公司,96,倍聚光,世界主要太阳电池新记录,中国太阳电池实验室最高效率,最高效率,面积,(cm,2,),单晶硅电池,20.4,22,多晶硅电池,14.53,22,GaAs,电池,20.1,11,聚光硅电池,17,22,CdS/Cu,x,S,电池,12,几个,mm,2,CuInSe,2,电池,8.57,11,CdTe,电池,7,3mm,2,多晶硅薄膜电池,13.6,11,非晶硅电池,11.2(,单结,),8.6,6.2,几个,mm,2,1010,3030,二氧化钛纳米有机电池,10,11,10.,填充因子,(,曲线因子,),太阳电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比，通常用,FF,(,或,CF,),表示：,FF=,I,m,V,m,/,I,sc,V,oc,I,sc,V,oc,是太阳电池的极限输出功率,I,m,V,m,是太阳电池的最大输出功率,填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。,11.,电流温度系数,在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化,1,0,C,，太阳电池短路电流的变化值，通常用,表示。,对于一般晶体硅电池,=+0.1%/,0,C,12.,电压温度系数,在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化,1,0,C,，太阳电池开路电压的变化值，通常用,表示。,对于一般晶体硅电池,=-0.38%/,0,C,五,.,提高晶体硅电池效率的方法,1.,紫光电池,采用,浅结,(,如,0.1-0.15,m),和密栅,(,如,30,条,/cm),克服了,“,死层,”,增加了电池的蓝紫光响应,提高了电池的效率,。,2.,背电场,(BSF),电池,在常规电池,n,+,/p,或,p,+,/n,的硅电池背面增加一层,p,+,或,n,+,层,即形成背电场,可以使电池性能,提高,并且不受电阻率和一定范围内单晶片厚度变化的影响,3.,绒面电池,采用选择性腐蚀溶液,使,(100),硅片表面形成微小的金字塔型的小丘,小丘密度大约为,10,8,-10,9,个,/,厘米,2,。,依靠表面金字塔形的方锥结构,对光进行多次反射,不仅减少了反射损失,而且改变了光在硅中的前进方向,延长了光程,增加了光生载流子的产量；曲折的绒面又增加了,p-n,结面积,从而增加对光生载流子的收集率；并改善了电池的红光响应。,4.,聚光电池,通过聚光器,使大面积聚光器上接收到的太阳光会聚一个比较小的范围内,形成,“,焦斑,”,或,“,焦带,”,。位于,“,焦斑,”,或,“,焦带,”,处的太阳电池可得到较多的光能,使每一片电池能输出更多的电能。,需要配备一套包括：聚光器,散热器,跟踪器及机械传动机构等的聚光系统。,低倍聚光方阵,聚光太阳电池方阵,250,倍聚光的,24KW,太阳电池方阵,